Investigation of magnetic after-effects in magnetite at low temperatures (4 to 35 K)

In polycrystalline, vacancy-doped magnetite Fe3−ΔO4 (5 × 10−6 < Δ < 2 × 10−3) a relaxation process with logarithmic time dependence, extending over the temperature range from 4 to 35 K with nearly constant relaxation strength is observed. In vacancy deficient stoichiometric crystals this relaxation is superimposed near 10 and 30 K by Debye-type processes with exponential time dependence. All processes are associated with variations of the spin-orbit coupling energy of Fe2+ ions on octahedral sites within domain walls, following either tunneling of electrons between the ground states of adjacent ions (logarithmic relaxation, 4 K < T < 35 K) or thermal excitations of electrons from the ground state (Debye relaxation, 30 K). In polykristallinem, Leerstellen-induziertem Magnetit Fe3−ΔO4 (5 × 10−6 < Δ < 2 × 10−3) wird eine Nachwirkung mit logarithmischer Zeitabhängigkeit beobachtet, die sich mit nahezu konstanter Relaxationsstärke über den Temperaturbereich zwischen 4 und 35 K erstreckt. In leerstellenarmen (stöchiometrischen) Kristallen sind dieser Nachwirkung bei 10 und 30 K weitere Prozesse mit exponentieller Zeitabhängigkeit vom Debye-Typ überlagert. Sämtliche Nachwirkungsprozesse werden Änderungen der Spin-Bahn-Kopplungsenergie von Fe2+-Ionen auf Oktaederplätzen in den Blochwänden zugeschrieben, die entweder durch Tunneln von Elektronen zwischen den Grundzuständen benachbarter Ionen (logarithmischer Prozeß, 4 K < T < 35 K) oder durch thermische Anregung von Elektronen aus dem Grundzustand verursacht werden (Debye-Prozeß, 30 K).